Éléments de conception d'un générateur électrique pour l'alimentation d'un dispositif à décharge à barrière diélectrique

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L ’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L ’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Discipline ou spécialité : Génie électrique


Présentée et soutenue par Mahamat Abakar DJIBRILLAH
Le 01 Avril 2011

Titre : Éléments de conception d'un générateur électrique pour l'alimentation
d'un dispositif à décharge à barrière diélectrique

JURY
Président : M. Jean-Francis LOISEAU Professeur (UPPA)
Rapporteurs : M. Gérard ROJAT Professeur (Université Lyon 1)
: M. Jean-Francis LOISEAU Professeur (UPPA)
Directeurs de thèse : M. Hubert PIQUET Professeur (INPT)
: M. Georges ZISSIS Professeur (UPS)

Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE - UMR5213
Directeurs de Thèse : M.Hubert PIQUET
M.Georges ZISSIS

























A la mémoire de
mon frère Mahamat Nour et
mon cousin Ousmane Kleinto
partis si tôt

Résumé

Résumé
Ce travail traite de la conception de générateur alimentant une lampe DBD destinée à
la production de rayonnement UV. Cette alimentation doit permettre un contrôle effi-
cace du rayonnement, grâce aux degrés de liberté apportés par le contrôle du généra-
teur (fréquence, amplitude du courant injecté dans la lampe).
Le modèle électrique de la lampe est utilisé pour prédire l’impact des caractéristiques
du générateur sur le rayonnement UV produit.
Une synthèse des interrupteurs de puissance du convertisseur statique permettant le
contrôle du courant injecté est proposée et des solutions d’implémentation sont étu-
diées.
Une démarche de conception en vue de l’optimisation du transformateur haute tension
est proposée, notamment en ce qui concerne la valeur de ses éléments parasites.
L’ensemble de ces travaux est étayé par des réalisations expérimentales.



Mots - clés :
 Plasma
 Claquage du gaz
 Decharge à barrière dielectrique
 Source de courant
 Thyristor haute frequence
 Transformateur
 Rayonnement UV




Résumé


Abstract
This work presents the concept of a generator supplying a DBD lamp for UV radiation
production purpose. This supply permits effective control of radiation based on degree-
of-freedom provided by generator control system (lamp current frequency and ampli-
tude).
Lamp electrical model is used to predict the impact of power source characteristics on
the produced UV radiation.
A synthesis of the switching devices of power converter for current lamp control is pro-
posed and the implemented solutions are studied.
A design procedure for high voltage transformer optimization is proposed in particular
concerning parasitic elements.
The entire work is supported by experimentations.


Keywords :
 Plasma
 Gaz breakdown
 Dielectric barrier discharge
 Current source
 High frequency Thyristor
 Transformer
 UV radiation Remerciements
Remerciements

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein des équipes de
recherche Groupe ENergie Electrique et SYStémique (GENESYS) et Lumière et Ma-
tière (LM) du LAboratoire PLAsma et Conversion d’Energie (LAPLACE), unité mixte de
recherche CNRS-INPT-UPS nº 5213.

Tout d’abord j’adresse mes remerciements à Monsieur Maurice FADEL, direc-
teur adjoint du LAPLACE site ENSEEIHT (Ecole Nationale Supérieure
d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommu-
nications) pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire. Je remercie également Mon-
sieur Xavier ROBOAM, responsable du groupe GENESYS.
Je tiens à adresser mes sincères remerciements aux membres du jury :
- Monsieur Jean-Francis LOISEAU, Professeur à l’Université de Pau et des
Pays de l’Adour de m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de thèse et aussi d’être
rapporteur. Les échanges que nous avions eus m’ont été bien constructifs et enrichis-
sants et je le prie de trouver ici ma profonde gratitude.
- Monsieur Gérard ROJAT, Professeur émérite à l’Université Claude Bernard de
Lyon, pour avoir accepté d’être rapporteur de cette thèse. Je souhaite lui témoigner
ma profonde reconnaissance à deux titres : d’abord pour ses remarques pertinentes
lors de nos nombreux coups de fil et de la qualité du cours qu’ils nous a dispensés
pendant mon Master 2.
- Monsieur Sounil BHOSLE, Ingénieur de recherche (Led Engineering Deve-
lopment) d’avoir accepté d’être membre du jury, mais avant tout pour les échanges
fructueux que nous avions eus durant les 2 premières années de ma thèse. J’ai été
ravi de travailler avec lui et merci pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail et de ses re-
marques haut combien importantes.
- Monsieur Georges ZISSIS, Professeur à l’Université Paul Sabatier de Tou-
louse d’avoir accepté de co-diriger cette thèse. Remerciements
- Monsieur Hubert PIQUET, Professeur à l’ENSEEIHT, qui a dirigé avec effica-
cité ces travaux de thèse. Je voudrais lui exprimer toute ma gratitude et mon immense
reconnaissance pour la confiance qu’il m’a accordée durant toutes ces années. Je
tiens aussi à le remercier pour la pertinence de ses remarques, de sa rigueur scienti-
fique et de la méthodologie qu’il a su m’insuffler. Je compte bien en faire usage dans
ma vie future.
J’adresse également mes remerciements à Monsieur Daniel MATT, Professeur
à l’Université de Montpellier 2, pour la qualité de son enseignement et son soutien
sans cesse.
Je tiens aussi à remercier chaleureusement Monsieur Pascal MAUSSION, Pro-
fesseur à l’ENSEEIHT pour sa gentillesse et sa bonne humeur.
Mes sinceres remerciements vont à l’adresse de Monsieur Marc COUSINEAU,
Maître de conférences à l’ENSEEIHT pour son aide précieuse. J’ai apprécié sa façon
d’analyser les choses, pour les conseils qu’il m’a prodigués et les améliorations appor-
tées au « thyristor rapide ».
Je remercie tous les permanents du groupe GENESYS, Stephan ASTIER, Bru-
no SARENI, Nicolas ROUX, Fabien LACRESSONIERE et surtout Christophe TURPIN
pour ses conseils précieux lors de la réalisation de ma source de courant. Un grand
merci à Eric BRU, pour sa bonne humeur et la bonne ambiance partagée dans la salle
E502.
Merci également à tous les permanents du groupe machine (GRM3) avec qui
j’ai partagé le même pallier : Eric DUHAYON, François PIGACHE (merci mon pote
pour tous ces échanges), Yvan LEFEBVRE, Jean-François ROUCHON, Bertrand
NOGAREDE. Une mention particulière à Carole HENAUX, ma tutrice pédagogique
pour sa disponibilité et la bonne entente durant mon monitorat.
Dans le cadre du monitorat, je tiens également à remercier Madame Maria
PIETRZAK-DAVID, pour m’avoir accueilli au sein du département GEA (Génie Elec-
trique et Automatique) de l’ENSEEIHT. Un merci aussi à Elisabeth MERLO et Jamila
DJENATI ancienne et nouvelle secrétaire du département GEA.
Merci à tous les techniciens et ingénieurs du laboratoire, Robert LARROCHE,
Jean-Marc BLAQUIERE, Franck MOSER, Sébastien VINNAC (merci pour tout, bon
courage pour la suite) et Jacques LUGA de la salle TP (B008) pour son aide pré-
cieuse. Je tiens à adresser ma profonde reconnaissance à Olivier DURRIEU pour Remerciements
l’ensemble des services qu’il m’a rendu à la fois lors de la commande des composants
électroniques et le chargement du programme de ma carte FPGA. Sa sérénité et sa
connaissance des cartes électroniques m’ont beaucoup aidé.
Un merci tout particulier à Jacques BENAIOUN, informaticien du laboratoire pour son
aide précieuse. Il a été toujours présent à chaque fois que je fais face à des soucis